湖南大學(xué)王兆龍課題組：基于3D打印可降解水凝膠的快速可編輯人機(jī)界面

來(lái)源：摩方PuSL高精密3D打印

水凝膠憑借著可拉伸的三維高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及可供離子傳輸?shù)乃�性環(huán)境在可穿戴器件、瞬態(tài)電子和人機(jī)交互等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，伴隨著柔性電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，如何解決大量的柔性電子產(chǎn)品廢棄物成為了挑戰(zhàn)之一。受此啟發(fā)，湖南大學(xué)王兆龍副教授、段輝高教授與上海交通大學(xué)鄭平院士、南方科技大學(xué)葛锜教授、航天五院楊東升研究員合作，在《Materials Today Physics》期刊上發(fā)表了題為“Ultra-fast programmable human-machine interface enabled by 3D printed degradable conductive hydrogel”的文章。

該文章利用面投影光刻技術(shù)（nanoArch P140，摩方精密）制備了高精度高拉伸可導(dǎo)電水凝膠樣品及可編輯線路。在特定環(huán)境下，體系能被完全降解，實(shí)現(xiàn)柔性電子的環(huán)保無(wú)殘留。

圖1 基于面投影微立體光刻3D打印技術(shù)的水凝膠。（a）面投影光刻技術(shù)原理圖。（b）水凝膠前體溶液組成。（c）前體溶液固化前后展示圖。（d）H2O-H2O、H2O-PG、PG-PG 和 PAM-H2O-PG 的氫鍵相互作用的密度泛函理論分析（DFT）。（e）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（f）基于面投影光刻技術(shù)制備的高精度海星和雪花樣品。

具體的溶液制備和加工過(guò)程如圖1a-b所示，先將光引發(fā)劑 (2, 4, 6-三甲基苯甲酰基)苯基次膦酸乙酯(TPO-L)分散在1,2-丙二醇中，得到溶液A。同時(shí)，將氯化鉀（KCl）、丙烯酰胺（AAm）和聚（乙二醇）二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）加入去離子（DI）水中混合均勻得到溶液B。將溶液A、B混合均勻，超聲處理得到水凝膠前體溶液（圖 1c），在405nm紫外光的照射下能被完全固化。三維多孔網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)保證了高拉伸性能，圖2a-c展示了不同成分含量下樣品的拉伸性。研究人員通過(guò)單軸拉伸測(cè)試探究了不同成分含量對(duì)拉伸性能的影響。此外，還探究了電導(dǎo)率的影響因素（圖2d-h），證明了基于高拉伸導(dǎo)電水凝膠器件的低溫工作性能。

圖2 力學(xué)與電學(xué)性能的探究。（a）拉伸測(cè)試。不同含量（b) 丙烯酰胺，（c) 1,2-丙二醇的水凝膠樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不同含量（d）氯化鉀，（e）丙烯酰胺和（f）1,2-丙二醇的水凝膠樣品的電導(dǎo)率測(cè)試。（g）丙烯酰胺和去離子水質(zhì)量比為3的水凝膠樣品的差示掃描量熱（DSC）曲線。（h）不同溫度下的電導(dǎo)率。（i) 拉伸與導(dǎo)電性能的綜合展示。

水凝膠的可降解的性能由酰胺基和交聯(lián)劑的共同水解實(shí)現(xiàn)，圖3b展示了六邊形水凝膠樣品的降解過(guò)程（pH=13）。通過(guò)改變樣品的形狀、厚度或表面積，能夠?qū)ζ浣到馑俣冗M(jìn)行調(diào)控。除了幾何參數(shù)，水凝膠前體溶液的成分含量、環(huán)境的pH值和溫度都會(huì)影響降解速率。（圖3c-g）

圖3 降解性能探究。（a）堿性環(huán)境中的降解原理圖。（b)六邊形水凝膠樣品在pH值為13的堿性溶液中的降解過(guò)程。不同含量（c）丙烯酰胺，（d）PEGDMA和（e）1,2-丙二醇的水凝膠樣品的降解時(shí)間測(cè)試。（f）不同pH值下的降解時(shí)間。（g）不同溫度下的降解時(shí)間。

基于高拉伸可降解導(dǎo)電水凝膠的柔性電子具有優(yōu)異的工作性能，研究人員將其應(yīng)用在柔性傳感及人機(jī)交互等應(yīng)用中。如圖4a-b所示，基于水凝膠的柔性傳感器對(duì)于重復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)具有準(zhǔn)確靈敏的監(jiān)測(cè)能力，具有廣泛的傳感范圍，從而達(dá)成穩(wěn)定傳感的目的。研究人員主要對(duì)手指彎曲、不同頻率的重復(fù)運(yùn)動(dòng)、吞咽、發(fā)音等動(dòng)作進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果如圖4c-i所示。除此之外，研究人員還利用水凝膠器件的可降解性能對(duì)瞬態(tài)電子及可編輯人機(jī)界面應(yīng)用的可行性進(jìn)行了探究。圖5a展示了通過(guò)降解和修復(fù)能夠?qū)崿F(xiàn)串并聯(lián)電路的快速轉(zhuǎn)換。人機(jī)界面由基于水凝膠電路的肌電采集系統(tǒng)組成（圖5b），可穩(wěn)定獲取五個(gè)手指的肌電信號(hào)，開(kāi)發(fā)的 EMG 收集系統(tǒng)能夠?qū)��?fù)雜的手勢(shì)進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)人手控制機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)作，如圖5c-g展示，證明了基于3D打印可降解導(dǎo)電水凝膠在快速可編輯人機(jī)界面應(yīng)用的可行性。值得一提的是，基于水凝膠的體系能被完全降解，為可編程和環(huán)�？纱┐髟O(shè)備提供了新思路。

圖4 基于水凝膠的柔性傳感器監(jiān)測(cè)性能。（a）不同應(yīng)變下水凝膠應(yīng)變傳感器相對(duì)電阻變化曲線。（b）不同拉伸率下的靈敏度。（c） 手指彎曲，（d）手指不同頻率連續(xù)彎曲，（e）肘部連續(xù)彎曲，（f）行走期間膝蓋彎曲，（g）吞咽，（h）發(fā)聲和（i）恒定壓力下的傳感曲線。

圖5 可編輯電路及人機(jī)界面應(yīng)用。（a）基于水凝膠電路的降解和修復(fù)。（b）采集系統(tǒng)工作原理示意圖。（c）所開(kāi)發(fā)的 EMG 采集系統(tǒng)捕獲得到的五個(gè)手指 EMG 信號(hào)。（d）暴露于堿下的EMG 采集系統(tǒng)捕獲得到的EMG 信號(hào)。（e）基于可降解水凝膠的可編程人機(jī)界面示意圖。（f）采集得到的不同手勢(shì)的信號(hào)。（g)快速可編輯人機(jī)界面工作展示。

該項(xiàng)研究成果獲得了廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究發(fā)展計(jì)劃，湖南省自然科學(xué)基金，民用航空航天技術(shù)研究項(xiàng)目和中國(guó)空間技術(shù)研究院空間探索計(jì)劃和錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)室等實(shí)驗(yàn)及研究項(xiàng)目支持。

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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100794